混合式轉(zhuǎn)換器簡化數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的 48 V/54 V 降壓轉(zhuǎn)換

Ya Liu、Jian Li、San-Hwa Chee 和 Marvin Macairan ADI 公司

數(shù)據(jù)中心和電信電源系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了很大變化。主要應(yīng)用制造商都在用更高效的非隔離式高密度降壓型穩(wěn)壓器取代復(fù)雜且昂貴的隔離式 48 V/54 V 降壓型轉(zhuǎn)換器 (圖 1)。在穩(wěn)壓器的總線轉(zhuǎn)換器中無需隔離，這是因為上游 48 V 或 54 V 輸入已經(jīng)與危險的交流電源進行了隔離。

圖 1.傳統(tǒng)的電信板電源系統(tǒng)架構(gòu)帶有隔離式總線轉(zhuǎn)換器。在 48 V 已經(jīng)與交流電源隔離的系統(tǒng)中，無需使用隔離式總線轉(zhuǎn)換器。使用非隔離混合式轉(zhuǎn)換器取代隔離式轉(zhuǎn)換器可顯著簡化設(shè)計、降低成本和電路板空間要求。

對于高輸入/輸出電壓應(yīng)用 (48 V 至 12 V)，傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器所需元件通常尺寸更大，因此并非理想的解決方案。也就是說，降壓型轉(zhuǎn)換器必須在低開關(guān)頻率 (例如，100 kHz 至 200 kHz) 下工作，以便在高輸入/輸出電壓下實現(xiàn)高效率。降壓型轉(zhuǎn)換器的功率密度受到無源元件尺寸的限制，特別是電感尺寸的限制?？梢酝ㄟ^增加開關(guān)頻率來減小電感尺寸，但是因開關(guān)切換引起的損耗會降低轉(zhuǎn)換器效率，并會導(dǎo)致不可接受的熱應(yīng)力。

與基于電感的傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)式電容轉(zhuǎn)換器 (電荷泵) 可顯著提高效率并縮小解決方案尺寸。在電荷泵中，采用飛跨電容代替電感以存儲能量并將其從輸入端傳遞到輸出端。電容的能量密度遠高于電感，因此與降壓型穩(wěn)壓器相比，可將功率密度提高 10 倍。但是，電荷泵是分數(shù)型轉(zhuǎn)換器 (它們不能調(diào)節(jié)輸出電壓) 并且無法擴展以適用于高電流應(yīng)用。

基于 LTC7821 的混合式轉(zhuǎn)換器兼具傳統(tǒng)降壓型轉(zhuǎn)換器和電荷泵的優(yōu)點：輸出電壓調(diào)節(jié)、可擴展性、高效率和高密度?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器通過閉環(huán)控制對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，就像降壓型轉(zhuǎn)換器一樣。通過峰值電流模式控制，可以輕松地將混合式轉(zhuǎn)換器擴展到更高的電流水平 (例如，從 48 V 至 12 V/25 A 的單相設(shè)計擴展到 48 V 至 12 V/100 A 的 4 相設(shè)計)。

混合式轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)管在穩(wěn)態(tài)工作時都只承受一半的輸入電壓，因此能夠使用低額定電壓的 MOSFET 以實現(xiàn)高效率。混合式轉(zhuǎn)換器因開關(guān)切換引起的損耗低于傳統(tǒng)的降壓型轉(zhuǎn)換器，從而可實現(xiàn)高頻開關(guān)。

在典型的 48 V 至 12 V/25 A 應(yīng)用中，LTC7821 在 500 kHz 開關(guān)頻率時可實現(xiàn)超過 97% 的滿載效率。要使用傳統(tǒng)的降壓型控制器達到相同的效率，必須以三分之一的頻率運行，因而導(dǎo)致解決方案的尺寸大很多。更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感，從而使瞬態(tài)響應(yīng)更快并且解決方案尺寸更小 (圖 2)。

圖 2.傳統(tǒng)非隔離式降壓型轉(zhuǎn)換器和混合式轉(zhuǎn)換器的尺寸對比（48 V 至 12 V/20 A）。

LTC7821 是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，提供非隔離式高效率、高密度降壓型轉(zhuǎn)換器完整解決方案所需的功能，適合用作數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器。LTC7821 的主要特性包括：

u 寬 VIN 范圍：10 V 至 72 V (80 V 絕對最大值)

u 可鎖相的固定頻率：200 kHz 至 1.5 MHz

u 集成式四路 5 V N 溝道 MOSFET 驅(qū)動器

u RSENSE 或 DCR 電流檢測

u 可編程 CCM、DCM 或 Burst Mode? 工作

u CLKOUT 引腳用于多相操作

u 短路保護

u EXTVCC 輸入以提高效率

u 單調(diào)性的輸出電壓啟動

u 32 引腳 (5 mm × 5 mm) QFN 封裝

48 V 至 12 V/25 A 混合式轉(zhuǎn)換器具有 640 W/IN3 的功率密度

圖 3 顯示了一個采用 LTC7821、開關(guān)頻率為 400 kHz 的 300 W 混合式轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，輸出電壓為 12 V，最大負載為 25 A。飛跨電容 CFLY 和 CMID 均使用 12 個 10 μF (1210 尺寸) 陶瓷電容。因為開關(guān)頻率高且電感在開關(guān)節(jié)點處僅承受一半的 VIN (伏秒值小)，所以可以使用相對較小尺寸的 2 μH 電感 (SER2011-202ML，0.75 英寸 × 0.73 英寸)。如圖 4 所示，解決方案的尺寸大約為 1.45 英寸 × 0.77 英寸，功率密度大約為 640 W/in3。

圖 3.采用 LTC7821 的 48 V 至 12 V/25 A 混合式轉(zhuǎn)換器。

圖 4.一個完整的總線轉(zhuǎn)換器使用電路板的正反面進行布局，僅需使用電路板正面 2.7 cm2 的面積。

因為背面三個開關(guān)始終只接收到一半的輸入電壓，所以可使用 40 V 額定電壓的 FET。最上面的開關(guān)采用一個 80 V 額定電壓的 FET，因為在啟動期間 CFLY 和 CMID 預(yù)充電開始時 (無開關(guān))，它接收到的是輸入電壓。在穩(wěn)態(tài)操作期間，所有四個開關(guān)都只接收到一半的輸入電壓。因此，與所有開關(guān)都接收到全部輸入電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器相比，混合式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗要小得多。圖 5 顯示了設(shè)計效率。峰值效率為 97.6%，滿載效率為 97.2%。由于其效率高 (功率損耗低)，熱性能非常出色，如圖 6 熱成像圖所示。在 23°C 的環(huán)境溫度和沒有強制風(fēng)冷的情況下，其熱點溫度為 92°C。

圖 5.在 48 V 輸入、12 V 輸出和 400 kHz fSW 下的效率。

LTC7821 采用獨特的 CFLY 和 CMID 預(yù)平衡技術(shù)，可防止啟動期間的輸入浪涌電流。在初始上電期間，測量飛跨電容 CFLY 和 CMID 兩端的電壓。如果這些電壓中有任何一個不是 VIN / 2，則允許對 TIMER 電容進行充電。當 TIMER 電容的電壓達到 0.5 V 時，內(nèi)部電流源開啟以使 CFLY 電壓達到 VIN / 2。在 CFLY 電壓達到 VIN / 2 之后，將 CMID 充電至 VIN / 2。在此期間，TRACK/SS 引腳被拉低，所有外部 MOSFET 都被關(guān)斷。如果在 TIMER 電容電壓達到 1.2 V 之前，CFLY 和 CMID 兩端的電壓已達到 VIN / 2，則釋放 TRACK/SS，正常軟啟動開始。圖 7 顯示了這一預(yù)平衡周期，圖 8 顯示了在 48 V 輸入、12 V/25 A 輸出時的 VOUT 軟啟動。

圖 6.圖 2 中混合式轉(zhuǎn)換器解決方案的熱成像圖。

圖 7.LTC7821 啟動時的預(yù)平衡周期避免了高浪涌電流。

圖 8.48 V 輸入、12 V/25 A 輸出時 LTC7821 啟動 (無高浪涌電流)。

圖 9.2 相設(shè)計的 LTC7821 關(guān)鍵信號連接。

1.2 kW 多相混合式轉(zhuǎn)換器

LTC7821 易于擴展，因此非常適合高電流應(yīng)用，例如電信和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。圖 9 顯示了使用多個 LTC7821 的 2 相混合式轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵信號連接。將一個 LTC7821 的 PLLIN 引腳和另一個 LTC7821 的 CLKOUT 引腳連接在一起，使 PWM 信號同步。

對于兩相以上設(shè)計，將 PLLIN 引腳和 CLKOUT 引腳以菊花鏈方式連接。由于 CLKOUT 引腳上的時鐘輸出與 LTC7821 的主時鐘呈 180°反相，所以偶數(shù)相位之間彼此同相，而奇數(shù)相位與偶數(shù)相位之間彼此反相。

圖 10 顯示了一個 4 相 1.2 kW 混合式轉(zhuǎn)換器。每相功率級與圖 3 中的單相設(shè)計相同。輸入電壓范圍為 40 V 至 60 V，輸出為 12 V，最大負載為 100 A。其峰值效率為 97.5%，滿載效率為 97.1%，如圖 11 所示。其熱性能如圖 12 所示。在 23°C 的環(huán)境溫度和 200 LFM 強制風(fēng)冷的情況下，其熱點為 81°C。該設(shè)計采用了電感 DCR 檢測。如圖 13 所示，4 個相位間的均流非常平衡。

圖 10.采用四個 LTC7821 的 4 相 1.2 kW 混合式轉(zhuǎn)換器。

圖 11.4 相 1.2 kW 設(shè)計的效率。

圖 12.圖 9 所示多相轉(zhuǎn)換器的熱成像圖。

圖 13.圖 9 所示多相轉(zhuǎn)換器的均流。

結(jié)論

LTC7821 是一款峰值電流模式的混合式轉(zhuǎn)換器控制器，能夠以創(chuàng)新的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)的中間總線轉(zhuǎn)換器簡化解決方案?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)都只會接收到一半輸入電壓，從而顯著降低了高輸入/輸出電壓應(yīng)用中的開關(guān)相關(guān)損耗。因此，混合式轉(zhuǎn)換器支持的開關(guān)頻率可高出降壓型轉(zhuǎn)換器 2 至 3 倍，且不影響效率?；旌鲜睫D(zhuǎn)換器可輕松擴展，以支持更高電流應(yīng)用。較低的整體成本和易擴展性使混合式轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的隔離式總線轉(zhuǎn)換器更勝一籌。